ASME N-755 對(duì)核電用HDPE 管材料選擇和性能測試的指導(dǎo)

段頡頏 林 榕 孫霖杰 劉康林 賴煥生

（1.福州大學(xué)石油化工學(xué)院；2.中山大學(xué)中法核工程與技術(shù)學(xué)院）

核電站中，由埋地管道受損泄漏造成的地下水污染案例不斷增加，另外，因腐蝕和退化而堵塞的管道還可能導(dǎo)致與安全相關(guān)的管道喪失冷卻功能， 嚴(yán)重影響核電站運(yùn)行安全與完整性［1］。2005 年，由Duke 電力公司提出，美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì)（ASME）鍋爐及壓力容器委員會(huì)（BPVC）聚乙烯 （PE） 管特別工作組編寫了一份新的ASME 標(biāo)準(zhǔn)， 該標(biāo)準(zhǔn)以規(guī)范案例的形式出現(xiàn)，由BPVC 定期召開研討會(huì)制定而成， 內(nèi)容包括在核電安全系統(tǒng)中使用PE 管時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)、采購、安裝、熔合、檢查和測試方面的要求。 同年，規(guī)范案例的第1 版正式通過， 但它僅包含Duke 電力公司將PE 管道安裝到核電廠安全系統(tǒng)的第一階段所需的最低要求［2］。 之后，BPVC 不斷測試更多的材料和組件， 若數(shù)據(jù)在測試完成時(shí)符合使用要求，工作組便修改并完善規(guī)范案例。 至2017 年，規(guī)范案例ASME N-755 已經(jīng)發(fā)行至第4 版 （ASME N-755-4）［3］。

ASME N-755 對(duì)核電用高密度聚乙烯（HDPE）管從設(shè)計(jì)到安裝再到檢測的全過程都進(jìn)行了嚴(yán)格且詳細(xì)的規(guī)定，盡管它仍然存在一些限制，但到目前為止，它還是指導(dǎo)核電用三級(jí)埋地HDPE 管道的最權(quán)威的適用規(guī)范之一， 具有相當(dāng)關(guān)鍵的指導(dǎo)性意義。

1 對(duì)管道材料選擇的指導(dǎo)

ASME N-755 規(guī)定了在不同溫度下PE 管道的許用應(yīng)力和預(yù)期使用壽命，其長期使用壽命可達(dá)50 年，溫度上限為60 ℃。 由于PE 材料具有相當(dāng)好的延展性和柔韌性， 因此PE 管道適用于地震易發(fā)地區(qū)。 當(dāng)應(yīng)用適當(dāng)時(shí)，PE 材料能夠提供更好的服務(wù)并具有更低的成本，是解決金屬管道腐蝕問題的良好替代品。

為了更好地將高性能PE4710 （歐洲分類為PE100） 聚乙烯化合物和聚乙烯材料用于三級(jí)埋地管道系統(tǒng)，ASME N-755 修訂版本中增加了強(qiáng)制性附錄Ⅳ。 該附錄給出了三級(jí)核電廠安全系統(tǒng)用PE4710 聚乙烯管道的采購和材料要求， 確定了PE4710 聚乙烯化合物和聚乙烯材料的性能特性和最低性能值，說明了預(yù)處理材料表、加工要求和后處理材料的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，以確保產(chǎn)品的抗裂性、耐環(huán)境能力及高溫性等［4］。 根據(jù)ASTM D3350—2014 《聚乙烯塑料管和配件材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格》，PE4710 雙峰HDPE 樹脂的元件分類為445574C，是核安全相關(guān)唯一許用的材料［5］。

一般而言，HDPE 管道主要有3 種失效模式，即韌性破壞（因過載導(dǎo)致的塑性失效）、緩慢裂紋擴(kuò)展（SCG）或脆性斷裂（因持續(xù)載荷和溫度導(dǎo)致的變形很小的失效，相當(dāng)于金屬材料的蠕變裂紋擴(kuò)展或疲勞裂紋擴(kuò)展失效）、快速裂紋擴(kuò)展（在低溫（0 ℃以下）下管道損壞引起的高速軸向斷裂）。其中，SCG 是設(shè)計(jì)和使用壽命預(yù)測關(guān)注的主要失效模式。 由于PE4710 材料具有較高的耐慢速裂紋擴(kuò)展性能，因此在高溫加速試驗(yàn)下對(duì)PE4710材料在SCG 失效機(jī)制開始時(shí)的使用壽命進(jìn)行了線性回歸分析， 結(jié)果為50 年 （438 300 h）。 此外，PE4710 材料還具有較高性能的聚乙烯聚合物分子結(jié)構(gòu)和較高的密度，符合PPI TR-33 第F.7部分對(duì) 高 性 能 聚 乙 烯 化 合 物 的 要 求［6，7］。 因 此，PE4710 材料是目前符合ASME N-755 要求的唯一許用材料。

ASME N-755 規(guī)定了聚乙烯管的指定標(biāo)準(zhǔn)為ASTM D3035 （外徑小于76 mm） 和ASTM F714（外徑不小于76 mm）， 這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)主要包括工藝、尺寸、公差、短期和長期性能的要求與試驗(yàn)方法［7］。 除了直管段外，ASME N-755 還規(guī)定了附加產(chǎn)品的要求， 包括法蘭接頭和彎頭的具體設(shè)計(jì)、尺寸規(guī)范和性能要求。 對(duì)于法蘭接頭的采購，ASME N-755 也進(jìn)行了規(guī)范， 要求法蘭接頭制造商應(yīng)確保聚乙烯法蘭接頭的額定壓力不小于連接管道的額定壓力、法蘭接頭應(yīng)滿足規(guī)定設(shè)計(jì)的所有必要幾何尺寸和公差要求。

2 對(duì)材料性能測試的指導(dǎo)

2.1 目視檢測

ASME N-755 非強(qiáng)制性附錄C 給出了不合格熱熔對(duì)接接頭的結(jié)構(gòu)外觀（圖1），可供對(duì)熔合接頭處進(jìn)行目視檢測的人員進(jìn)行參照對(duì)比。 熱熔對(duì)接接頭的結(jié)構(gòu)要求如下［8］：接頭應(yīng)具有適當(dāng)?shù)木磉吔Y(jié)構(gòu)，大小均勻一致；不得有裂紋或未熔合的缺陷；在外觀上接頭不得斜接（成角或偏移），錯(cuò)邊量應(yīng)小于熔合部件最小壁厚的10%；焊接卷邊之間的焊道不得延伸至或低于外徑管表面；審查接頭焊接的數(shù)據(jù)采集記錄， 并與熔合程序規(guī)范（FPS）進(jìn)行比較，以確保在制作熔合接頭時(shí)遵循正確的參數(shù)和程序。

圖1 不合格熱熔對(duì)接接頭結(jié)構(gòu)外觀

2.2 水壓試驗(yàn)

ASME N-755 中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)依據(jù)規(guī)定， 三級(jí)PE 管道在不大于50 年使用壽命的條件下，溫度小于60 ℃時(shí)的長期許用應(yīng)力為3.45 MPa；此外，允許存在任何不大于壁厚10%的表面缺陷［9］。 水壓試驗(yàn)是檢驗(yàn)管道嚴(yán)密性的重要手段， 為此ASME N-755 規(guī)定了水壓試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)， 用于規(guī)范試驗(yàn)流程和驗(yàn)收指標(biāo)［10］。 其中，靜水壓試驗(yàn)要求最小試驗(yàn)壓力應(yīng)為設(shè)計(jì)內(nèi)壓的1.5 倍再加上70 kPa。 另外， 在安裝過程中也需要進(jìn)行水壓試驗(yàn)，在達(dá)到滿意的試驗(yàn)結(jié)果之前不得埋管。 需要注意的是，所有接頭包括熔合接頭，應(yīng)在試驗(yàn)期間暴露在外進(jìn)行檢查。 對(duì)于長管段，可通過在長管段的小部分進(jìn)行試驗(yàn)來完成水壓試驗(yàn)，在對(duì)每一小部分進(jìn)行試驗(yàn)并符合要求后，可將管道埋入地下。 所有的試驗(yàn)過程都應(yīng)記錄在經(jīng)過授權(quán)的檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)認(rèn)證證書中［8］。

2.3 熔合性能試驗(yàn)

ASME N-755 對(duì)三級(jí)埋地HDPE 管道的熱熔對(duì)接接頭進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，其中強(qiáng)制性附錄Ⅰ規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)FPS 的要求， 包括加熱板表面溫度、凸緣翻邊尺寸、加熱板拆除時(shí)間、熔合壓力及熔合壓力下的冷卻時(shí)間等。

ASME N-755 中規(guī)定的熱熔對(duì)接要求適用于單高壓（SHP）程序，同時(shí)需要進(jìn)行熔合性能試驗(yàn)，并作為對(duì)接熔合程序的鑒定。 FPS 鑒定的目的是確定擬用于施工的熔合接頭是否能夠提供預(yù)期所需的性能。具體而言，ASME N-755 中要求使用光滑試樣進(jìn)行高速拉伸沖擊試驗(yàn)和高溫持續(xù)壓力試驗(yàn)以鑒定是否符合FPS， 并要求進(jìn)行自由彎曲試驗(yàn)以鑒定管焊機(jī)操作員的操作是否達(dá)標(biāo)。

3 總結(jié)與展望

3.1 總結(jié)

在使用規(guī)范案例ASME N-755 時(shí)， 需要特別注意以下幾點(diǎn)：

a. ASME N-755 規(guī)定了設(shè)計(jì)溫度不超過60 ℃、設(shè)計(jì)應(yīng)力不超過許用應(yīng)力的核電廠三級(jí)安全埋地HDPE 管道的設(shè)計(jì)、制造和安裝要求；

b. 在熔合過程中必須使用數(shù)據(jù)采集記錄儀記錄熔合過程的所有信息，以供熔合后與FPS 進(jìn)行比較，以確保熔合過程的可靠性；

c. 所有性能檢查均應(yīng)按照規(guī)范程序執(zhí)行并達(dá)到安全要求，同時(shí)應(yīng)向授權(quán)的檢查員提供書面程序、 程序能力證明記錄和人員資格的相關(guān)證明；

d. 材料采購和接收人員、對(duì)熔合接頭進(jìn)行檢查的人員和對(duì)管道進(jìn)行性能測試的人員都應(yīng)接受相應(yīng)要求的培訓(xùn)，并獲取資質(zhì)，所有過程都必須接受相關(guān)第三方人員的監(jiān)督，并將數(shù)據(jù)記錄存檔。

3.2 展望

由于ASME 是針對(duì)所有機(jī)械設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，因此它所規(guī)定的內(nèi)容范圍設(shè)置得較低， 導(dǎo)致ASME N-755 存在一定的限制性， 僅適用于符合ASME第Ⅲ卷三級(jí)部件要求的核電廠埋地管道系統(tǒng)用HDPE 管。 近年來，隨著材料科學(xué)、焊接技術(shù)等的快速發(fā)展，ASME N-755 也應(yīng)順應(yīng)科技發(fā)展適當(dāng)增改其適用條件。 如：

a. 早期，美國核電站所用的HDPE 管道材料為PE3408 樹脂， 該材料為電力行業(yè)提供管道服務(wù)超過25 年。 近年來，升級(jí)的PE4710 樹脂材料由于具有良好的抗裂性和優(yōu)良的耐腐蝕性，于2007 年開始應(yīng)用于工業(yè)。 可以預(yù)見，將來會(huì)有性能更優(yōu)良的樹脂材料代替PE4710。

b. 熱熔焊機(jī)的尺寸相對(duì)龐大，在HDPE 管道焊接安裝時(shí)，若遇到較小的管廊施工空間將會(huì)極大地影響熱熔施工進(jìn)度，而電熔設(shè)備的尺寸相對(duì)較小，所需的操作空間也小。 因此，在保證電熔焊接的嚴(yán)密性不小于熱熔焊接的條件下，可以考慮修改主要連接方式，以縮短工期、提高效率。 此外，還可以考慮將電熔焊接主要運(yùn)用于對(duì)管道的修復(fù)工作中。

c. 在管道焊接過程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)未焊透、夾雜及氣孔等內(nèi)部缺陷，這些缺陷將嚴(yán)重影響HDPE 管的長期使用壽命。 通常，采用超聲無損檢測方法對(duì)焊接接頭常見的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測，但ASME N-755 并未對(duì)核電用HDPE 管道焊接接頭內(nèi)部缺陷的無損檢測方法和缺陷判定提出具體規(guī)定。 因此，這將是今后完善規(guī)范的主要方向之一。

d. Kim J S 等通過對(duì)核電站三級(jí)安全埋地HDPE 管道熱熔對(duì)接性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，與ASME N-755-3 中的單高壓熔合接頭相比，ISO 21307 中給出的單低壓（SLP）熔合接頭顯示出更好的熔合性能。為此，ASME N-755 中的熔合程序應(yīng)朝著更好性能的方向給出相應(yīng)的修正。

e. 近年來，我國在核電建造的自主創(chuàng)新方面也有了長足的進(jìn)步。 HDPE 材料在AP1000 核電站中的首次使用獲得了很多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 因此，我國也應(yīng)積極承擔(dān)核電用HDPE 管規(guī)范的研究和編寫工作，促進(jìn)和推廣HDPE 管在我國核電站的運(yùn)用。